上平巷充填面回采面推进方向下平巷
图2.4 矸石充填采煤系统布置图
2.2煤与瓦斯共采技术 2.2.1概述
瓦斯即煤层气，是在煤化作用过程中形成的、并赋予存在煤层中，以甲烷为主的混合气体。我国许多井工煤矿瓦斯危害严重，瓦斯爆炸和瓦斯突出事故在重大恶性事件中一直占有很大的比例，瓦斯事故已构成煤矿安全的重大威胁。我国2 000 m浅范围内具有30~35万亿m3煤层气资源，居世界前列。
但由于我国煤层透气性小，难以在开采前抽出。建国以来，我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1 500余次，仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数达2 356人，为煤矿总死亡人数的40%。煤矿每年排放瓦斯70~190亿m3。同时瓦斯又是最好的清洁能源，因此必须加以利用，变害为宝。开发煤层气具有三个方面的重大意义：即增加新能源、改善煤矿安全和保护全球环境，这在国内外采矿及环境专家和管理者中已经成为共识。
2.2.2煤层与瓦斯共采技术的理论依据
限制我国高瓦斯矿井井下瓦斯抽放的原因，主要是煤层的低渗透率和高可塑性，使得沿煤层打钻孔困难，煤层采前预抽效果较差。由于我国含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动，煤层内生裂隙系统遭到破坏，塑变性大大增强，因而成为低透气性的高可塑性结构，这使得地面钻孔完井后采气效果差，水力压裂增产效果不明显。而目煤层普遍具低渗透率，水城、丰城、霍岗、开滦、柳林等矿区的渗透率较好，这一特点决定了我国地面开发煤层气的难度很大。鉴于此，我国煤层气开发生产的重点应放在井下，利用井下的采掘巷道，并尽量利用煤层采动影响，通过打钻孔和其它各种有效技术强化煤层的瓦斯抽放。同时，应进一步研究和不断完善提高煤层渗透率的技术和钻孔技术，研究提高气体质
11
量的技术，研究井下煤炭与瓦斯的协调开采配套技术以及煤矿瓦斯利用技术，使之与井下煤层气开发产业配套，实现煤与瓦斯的安全共采。现场测定和实验研究表明，不论原始渗透系数怎样低的煤层，在采动影响煤层卸压后，其渗透系数会急剧增加，煤层内瓦斯渗流速度大增，瓦斯涌出量也随之剧增。因此，只要合理布置钻孔位置和其它相关参数，完全能够高效地实现瓦斯抽放。
2.2.3煤与瓦斯共采技术在我国发展现状、有点和适用条件
1)煤与瓦斯共采技术的发展
我国是世界第一大产煤国，以井工开采为主。我国的许多井工煤矿瓦斯危害严重，瓦斯爆炸和瓦斯突出事故在煤矿重大恶性事件中一直占有很打比例，瓦斯事故是对煤矿安全的很大威胁。
1991年，联合国开发计划署确定向我国提供援助，建立中国煤层气资源开发项目。1992年6月，该项目转为全球环境基金项目，提供援助资金1000万美元，该项目包括松藻矿务局、开滦矿务局、铁法矿务局三个煤层气开发示范子项目和煤炭科学研究总院西安分院全国煤层气资源评估子项目，由煤炭工业部组织实施。
上述项目对中国煤层气开发有极大地推动作用。截至1996年，煤炭、石油、地矿系统所属的有关部门及地方政府利用国内资金或国外资金与技术，已在20多个矿区打了大约80口煤层气勘探和生产试验井。
2）煤与瓦斯共采技术的优点
(1)将煤层中的瓦斯抽取出来，使煤层开采时的瓦斯突出、瓦斯爆炸事故减少； (2)抽采采空区内的瓦斯，采空区内或者是局部瓦斯积聚都容易引起瓦斯突出或者是瓦斯爆炸事故，因此抽采采空区内瓦斯有利于煤矿安全生产；
(3)煤层气也即是瓦斯，是一种非常规的天然气，是一种能源，而且有多种工业用途； (4)煤与瓦斯共采技术能提高煤矿的经济效益。
综合以上几点，煤与瓦斯共采技术不仅减少了煤矿事故，又增加了煤矿效益。 3）煤与瓦斯共采技术应用
煤与瓦斯共采主要是针对高瓦斯矿井提出的，在我国东北地区例如抚顺、阳泉煤矿，瓦斯抽采量一直都位居全国前列。在我国南方例如淮南矿区等都高瓦斯矿井。
12
2.3煤炭地下气化技术 2.3.1概述
煤炭地下气化（Underground Coal Gasification，UCG）是指在煤层赋存地点直接获得可燃气体的过程，即在地下将固态矿物通过热化学过程变为气态燃料，然后由钻孔排到地面，供给用户。
2.3.2煤炭地下气化技术应用的优点和适用条件
1）煤炭地下气化的发展
我国自1985年起先后在鹤岗、大同、抚顺、皖南等多个地区进行了煤的地下气化实验，取得了热值为3.49~5.53MJ/m的煤气，后因国民经济调整而停止。1994年余力教授在徐州新河煤矿、唐山刘庄煤矿进行了气化实验，取得热值为13.69MJ/m的煤气。到目前为止煤炭地下气化虽完成了技术试验研究、半工业性试验和工业性试验，取得了重要成果，但要形成规模性商业化生产。
2）煤炭地下气化技术的优点
煤炭地下气化是一种新型的煤矿开采技术具有以下优点：
(1)减少煤矿开采对环境的污染，传统的煤矿开采方法对矿区环境造成很大的破坏，有矸石污染，对水资源的破坏等等；
(2)煤矿开采更加安全，煤炭地下气化不需要人员在底下工作，工人的工作环境和工作条件大大改善；
(3)煤炭气化产生的各种气体是多种工业的原料、燃料，直接共给各个工厂、企业，有利于煤炭资源的充分利用
(4)煤炭地下气化技术能够开采普通采煤方法开采有困难的煤层，如薄煤层，高瓦斯煤层等。
3）煤炭地下气化技术的适用条件
煤炭地下气化技术在我国发展历史短，并没有被广泛的应用，也没有形成比较完善的技术体系。只有少数的矿井采用地下这种开采方式，因此，目前为止煤炭地下气化技术的应用范围比较小。
332.4保水开采技术 2.4.1概述
长期以来，我国煤炭开采对矿区环境造成很大的破坏。随着我国煤炭产量的不断增加，
13
煤炭开采所带来的环境问题愈加突出，其中水资源的破坏问题最为明显，也最为敏感，因为我国大部分矿区分布在中西部干旱半干旱地区。
煤矿开采过程中破坏了地下含水层的原始迁流，大量排出地下水;采空区上方导水裂隙带与地下水体贯通，形成大规模地下水降落漏斗，造成区域含水层水位下降，直接影响到区域水文地质条件。采动影响稳定后产生的地表沉陷往往影响到地表水体(河流、湖泊、井泉等)的原来形态，造成部分沟泉水量减少甚至干涸;影响当地居民正常的生产生活，进而影响区域植被生长，甚至土地沙漠化。我国每年采煤破坏地下水22亿m。而同期南水北调工程的调水量为448亿m、总投资约5 000亿，此外，不少矿井发生突水事故，造成经济损失。可见保水开采的经济效益、社会效益、生态效益是巨大的。
332.4.2目前我国保水开采技术的现状
煤炭开采过程中会引起地下水资源的大量流失以及地表水资源的破坏，严重影响了矿区的生态环境，保水开采技术是解决煤炭开采中水资源破坏的根本方法。
目前，我国的保水开采技术的理论依据主要有：
1）关键层理论，基于关键层理论的保水开采技术已经形成了比较成熟的理论系统； 2）开采对岩层移动的影响及离层规律；
3)开采后底板岩体应力场分布规律及底板岩层控制技术； 4）开采后岩层内的节理裂隙分布发育规律； 5）水在裂隙岩体中的渗流规律。
另外，保水开采技术也可以应用于水体下采煤，对于保护地表水资源有很好的作用。
14
3绿色开采技术前景展望 3.1绿色开采技术要解决的问题 3.1.1减少矸石开采与矸石充填技术
矸石充填技术在虽然形成了比较完善的技术体系，但同时也有很多问题等待解决： 1）巷道的布置问题，回采巷道和准备巷道的布置方式是减少矸石排放的重要方法，改进巷道的布置方式，采用全煤巷开拓，避免岩石巷道，都是减少矸石排放的重要途径；
2）巷道的支护问题，采用全煤巷开拓，对巷道的支护技术要求高，因为，全煤巷道的强度要不岩石巷道的强度小的多，所以在高强度的条件下使巷有较长的服务年限就成了有待解决的问题，虽然现在的支护技术发展较快但是仍然不能满足多种地质条件下全煤巷道的支护技术要求。
3）矸石充填方法，矸石充填可以根据煤层赋存条件的不同，采用不同的充填方法，提出更多的充填方法是完善矸石充填技术的重要途径。
3.1.2煤与瓦斯共采技术要解决的问题
煤与瓦斯共采技术在我国有了一定时间的发展，但是仍然有许多有待解决的问题： 1） 提高开采层瓦斯抽放率；
2） 研制功率大、故障率低、打钻效率及成孔率高的新型钻机及配套设备
3） 加强瓦斯抽放检测、监控技术及装备的研究和开发，使其实现自动化、智能化、
可视化和网络化的发展需要；
4）加强对于瓦斯抽放前采用计算机模拟技术的研究，使其达到虚拟化和可视化。这样可以对于不同的矿井瓦斯分布规律选择最优化的瓦斯抽放路径，使其费费最省和抽放效果最佳。
3.1.3煤炭地下气化技术
1）提高产气率；
2）改进地下气化发生炉的结构； 3）提高燃气热值的
煤炭地下气化技术是一种新型的煤矿开采技术，尚未形成一个非常完善的技术体系，因此以上三个方面的问题成为完善煤炭地下气化技术的主要方面。
3.1.4保水开采技术
保水开采技术主要是应用在西北矿区的缺水地区，根据当地的煤层赋存条件可以提出
15